DE2261467B2

DE2261467B2 - Mit Doppler-Effekt arbeitendes Navigationssystem

Info

Publication number: DE2261467B2
Application number: DE2261467A
Authority: DE
Inventors: Francois Nord Finistere Peynaud; Gilles Brest Posseme
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1971-12-17
Filing date: 1972-12-15
Publication date: 1974-04-11
Also published as: DE2261467C3; FR2163387B1; NO132114C; JPS4869551A; DE2261467A1; GB1392230A; US3818425A; FR2163387A1; SE388055B; CA1011867A; NO132114B

Description

Die Erfindung bezieht sich au." ein mit Doppler-Effekt at behendes Navigationssystem mit einer an Bord befindlichen Anordnung vcn Sende- und Emp- ! ngsantennen für Schallwellen, die mit elektronischen Schaltungen verbunden sind, die die Sendeantennen bei Sendung speisen bzw. die Verarbeitung der vom Grund zurückgeworfenen und von den Empfangsanlennen aufgefangenen Ultraschallwellen übernehmen, wobei die Sendeantennen in einem mit einem flüssigen Medium angefüllten Behälter angeordnet sind, dessen Boden durch eine für Schallwellen durchlässige Membran gebildet ist. die mit dem den Auftrieb des Fahrzeugs erzeugenden Medium in Verbindung sieht

Solche N;i\ igationssysteme dienen in erstei Linie dazu, die Geschwindigkeit eines Wasserfahrzeugs in bey.ig auf den einen stabilen Bezugspunkt bildenden Grund zu bestimmen.

Um die Forlbewegungsiicschwindigkeit eines Wasserfahrzeug über Grund zu bestimmen, messen einige unter der Bezeichnung »Doppler-Sonar« bekannte Bordnavigationssysteme die Dopplcr-Frequenz, d. h. die Differenz zwischen der Frequenz, mit der eine Ultraschallwelle in Richtung zum Grund unter einem Neigungswinkel λ gegenüber der Vertikalen von im allgemeinen zwischen 0 und 45 abgestrahlt wird, und der Frequenz, mit der diese gleiche Ultraschallwelle empfangen wird, nachdem sie vom Grund insbesondere entgegengesetzt zu der Richtung der einfallenden Welle zurückgcstcucrt wurde. Der

Wert flieser Doppler-Frequenz hängt dann von der fendefrequenz/,, der Geschwindigkeit c der Uitrafchaliw^lle im Ausbreitungsmedium, dem Neigungswinkel λ des Sende/Empfangsbündels und von einer IComponente V der Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs ab.

Um gleichzeitig die beiden in einer Ebene liegenden Komponenten, d.h. die Längs- und die Querjcomponcnte dieser Geschwindigkeit messen und den Einfluß d<?r Stampf- und Rollbewegungen des Wasserfahrzeugs auf die Genauigkeit dieser Messung zu beschränken, besteht ein in der USA.-Patentschrift 3 257 638 beschriebenes und unter der Bezeichnung »Janus-Verfahren« bekanntes Verfahren darin, zwei Sende/Empfangs-Bündel zu verwenden, die ebenfalls um einen Winkel α zu beiden Seiten der Vertikale in bezug auf das Fahrzeug geneigt und in der relativen Vertikalebene enthalten sind, die durch die Längsachse des Fahrzeugs geht, und außerdem zwei weitere, gleiche Bündel, die in einer relativen Vertikaltbene enthalten sind, die senkrecht zu der ersten Vertikalebene liegt und ebenfalls um einen Winkel \ gegenüber der relativen Vertikale ger.cigt sind. Die Differenz / der durch die beiden in jeder dieser Empfangsebenen enthaltenen Bündel empfangenen Frequenzen ist gleich:

, , AV . ! = J₁ — sin* ,
c

wobei V die Geschwindigkeitskomponente des Fahrzeugs in der betrachteten Ebene und c die Schallgeschwindigkeit ausdrücken.

Die Geschwindigkeit c der Ultraschallwelle im Ausbreitungsmedium kann sich insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur und des Salzgehalts dieses Mediums sehr stark ändern und demnach einen nicht zu vernachlässigenden Einfluß auf die Genauigkeit der vorgenommenen Messung ausüben.

Zur Berücksichtigung dieser Änderungen der Schallgeschwindigkeit c können verschiedene Verfahren angewandt werden. So kann beispielsweise die Temperatur des AusbreitungsmediurriS mit Hilfe eines Thermistors gemessen und die Messung der Geschwindigkeit V des Fahrzeugs entsprechend kompensiert werden. Jedoch berücksichtigt dieses Verfahren keine Änderungen in Abhängigkeit vom Salzgehalt.

Ein weiteres Verfahren besteht darin, die Geschwindigkeit c dci Ultraschallwelle im Ausbreitungsmedium durch ein Schallgeschwindigkeits-Meßgerät zu messen und die Messung der Geschwindigkeit V des Fahrzeugs entsprechend zu kompensieren od:r die Sendefrequenz/, entsprechend zu ändern. Diese Verfahren sind jedoch verhältnismäßig kompliziert und aufwendig.

Ein weiteres, insbesondere durch die französische Patentanmeldung 2 019 462 bekanntes Verfahren besteht darin, die Änderungen der Schallgeschwindigkeit c durch entsprechende Änderung des Winkels des Sende/Empfangs-Bündels zu kompensieren, d. h. die Beziehung

sin*

konstant zu halten. Dies entspricht der Wahl einer Antenne parallel zur Richtung der zu messenden Geschwindigkeit, deren Phasenfunktion von Änderungen der Schallgeschwindigkeit c unabhängig ist.

Mehrere Antennen dieser Art wurden bereits entwickelt, die aus einer ebenen Anordnung von Wandlern bestehen.
Eine mit Verzögerungsleitungen oder Phaserjschie-

bern ausgerüstete Elektronikeinheit speist die einzelnen Wandler der ebenen Wand'.eranordnung in der Weise, daß Sende- und Empfangs-Bündel mit einem Neigungswinkel λ gegenüber der Vertikalen entstehen. Es wurde nachgewiesen, daß diese Neigung

ίο von der Schallg schwindigkeit c im Ausbreitungsmedium abhängt und daß ein Konstanthalten der Phasenfunktion entlang der Antenne ausreicht, um sicherzustellen, daß die Beziehung
sin«

bei einer Änderung von c konstant bleibt.

Aus der USA.-Patentschrift 2 912 671 ist es auch bekannt, einem konventionellen Sonarsystem eine Servoregeleinrichtung hinzuzufügen, die durch ein die Doppler-Frequenz ausdrückendes Signal gesteuert wird und den Wandler dci. Sonarsystems in einer solchen Richtung und mit sokher Geschwindigkeit bewegt, daß die Dopplerfrequenz möglichst klein ge-

macht wird und das Steuersignal nach Null geht. Im einfachsten Fall kommt dies darauf hinaus, daß der Wandler entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung des ihn tragenden Fahrzeugs mit solcher Geschwindigkeit bewegt wird, daß er relativ zu dem die

Schallwellen " reflektierenden Grund stillzustehen scheint. Zusätzlich können auch noch die Stampf- und Rollbewegungen des Schiffes und Unregelmäßigkeiten der Ausbreitungsbedingungen der Schallwellen kompensiert werden. Die Messung der Verstellgeschwindigkeit des Wandlers ermöglicht dann die Bestimmung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Dabei entfällt die Notwendigkeit von genauen Messungen der Geschwindigkeit der Schallwellen: dafür ist aber ein Mechanismus zur Verstellung de* Wandlers erforderlich was die Gefahr von Betriebsstörungen wesentlich erhöht.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines mit Doppler-Effekt arbeitenden Nav-gationssystem. das mit einer Antenncnanordnunc. von einfachem Aufbau und geringem Raumbedarf eine Messung ermöglicht, die weitgehend unabhängig von Änderungen der Schallgeschwindigkeit ist. ohne daß eine mechanische Verstelleinrichtung für die Antennenanordnung erforderlich, ist. Ausgehend von einem Navigationssystem der eingangs angegebenen Art wird diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Empfangsanicnnen ebenfalls im Behälter angeordnet sind. so daß die Achsen der Sende- und Empfangsstrahlungen den durchlässigen Boden des Behälters durchdringen, und daß die Schallgeschwindigkeit im flüssigen Medium einen in bezug auf die Temperatur des Medium* bekannten Wert aufweist und durch eine im Behälter angeordnete Temperatursteuereinrichtung verändert wird.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß zumindest eire Empfangsantenne in einer akustischen Linse angeordnet ist, die zusammen mit der zugehörigen Sendeantenne in dem Behälter montiert ist.

Vorzugsweise ist das iliese Antennenanordnung enthaltende Navigationssystem so ausgebildet, daß vier Sendeantennen in einer ersten Horizontalebene an den Ecken eines Quadrates angeordnet sind,

dessen eine Diagonale mit der Längsachse und dessen andere Diagonale mit der Querachse des Fahrzeugs zusammenfallen, und daß vier Empfangsantennen, die jeweils funktionell einem Sender zugeordnet sind, in gleicher Anordnung in einer Horizontalebenc liegen, die mit der ersten zusammenfallen kann.

Mit dem Navigationssystem nach der Erfindung ist es möglich, die auf die Änderungen der Schallgeschwindigkeit in dem durch Wasser gebildeten Auftriebsmedium zurückzuführenden Fehler zu kompensieren; dies geschieht dadurch, daß bei konstantgehaltener Sendefrequenz der gewünschte Neigungswinkel dadurch erhalten wird, daß die Schallgeschwindigkeit durch Steuerung der Temperatur des flüssigen Mediums verändert wird.

Es ist andererseits auch möglich, den Neigungswinkel der durch die Antennenanordnung ausgesendeten und empfangenen Strahlungskeule zu ändern; dies gjschicht dadurch, daß der Behälter ein geschlossener Zylinder ist, dessen Durchmesser das 150- bis 200fache der Wellenlänge /. der ausgesendeten Wellen ausmacht und der am Rumpf des Fahrzeugs an seinem durch den Boden abgeschlossenen Teil befestigt ist, der aus einem für die Schallwellen durchlässigen und mechanisch verstärkten Werkstoff hergestellt ist, daß die den Behälter ausfüllende Flüssigkeit so gewählt ist, daß ihre Schallgeschwindigkeit etwa der Schallgeschwindigkeit des auftriebserzeugenden Mediums entspricht, und temperaturslabilisiert ist. daß die vier Empfangsantennen auf der Brennkugel einer sphärischen akustischen Linse mit einem Innendurchmesser von 40 /. und einem Außendurchmesser von 50 /. angeordnet sind, die aus zwei Haibkugeln gebildet ist, von denen die eine Halbkugel zu dem für Schallwellen durchlässigen Boden gerichtet ist, daß die Linse mit einer Flüssigkeit einer bestimmten Schallgeschwindigkeit gefüllt ist und mit einem Ausdehnungsgefäß in Verbindung steht, daß die vier Sindeantennen mit einem Durchmesser von etwa 1 Ί. in einer Entfernung von etwa 60 /. vom Boden angeordnet und horizontal auf einem Kreis mit einem Durchmesser zwischen 100 und 120 / verteilt sind, daß ihre Halterung durch fest mit der Linse verbundene Arme gebildet ist und daß die Antennenanordnung an dem Deckel des Behälters aufgehängt ist, der mit Durchführungen für die elektrischen Verbindungen mit der «!gehörigen Eiektronikeinheit und für die Anschlüsse der die Temperaturstabilisierung des flüssigen Mediums steuernden Temperatursteuervorrichtung versehen ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer stark vereinfachten Ausbildung der Schallantennenanordnung eines mit Doppler-Eflekt arbeitenden Navigarjonssystems sowie des Ausbreitungsweges der ausgesendeten und empfangenen Strahlung und

F i g. 2 eine vereinfachte Schnittdarstellung der Schallantennenanordnung des Navigationssystems nach der Erfindung.

F i g. 1 zeigt schematisch die sehr vereinfachte Ausbildung einer Schallantennenanordnung sowie den Ausbreitungsverlauf der ausgesendeten und empfangenen Strahlung. Diese Anordnung besteht aus einem Beiiälter 3, der mit einem flüssigen Medium 1 angefüllt ist, in dem die Schaltgeschwindigkeit gleich C₁ ist and in dem sich ein Sendeekment 5 und ein Emp- -fangselement 6 für Ultraschallwellen befinden, die gegenüber der Vertikalen geneigt sind und durch elektroakustische Wandler gebildet sind. Der Boden 4 des Behälters 3 ist für Ultraschallwellen durchlässig ausgeführt und verläuft vorzugsweise parallel zur Richtung der Geschwindigkeit V der Translationsbewegung der aus dem Behälter 3 und seines Inhaltes gebildeten Einheit. Diese Translationsbewegung erfolgt gegenüber einem Medium 2, in dem die Schallgeschwindigkeit C₂ ist. Die Richtung des Sendebündels

ίο ist somit für einen Beobachter, der die Bewegung des Behälters 3 mitmacht, um einen Winkel A₁ im Medium 1 geneigt, und für einen feststehenden Beobachter um einen Winkel .\_ä im Medium 2, wobd diese Neigungswinkel auf die Senkrechte zur Fläche 4 be-

!5 zogen sind. Das Sendcbündel durchläuft das Medium 2 und wird durch die Oberfläche 7 des Grundes entgegengesetzt zur Einfallsrichtung im Medium 2 zurückgeworfen. Infolge der Mitnahme des Mediums 1 mit der Geschwindigkeit y gegenüber dem Medium 2 ist die Richtung, in der die zurückgeworfene Welle im Medium 1 empfangen wird, für einen beweglichen Beobachter um einen Winkel v, gegenüber der Senkrechten zur Fläche 4 geneigt. Unter Berücksichtigung der bei jedem Durchgang durch die Fiäciie 4 auftretenden Änderungen der Phasenfunktion ί*.:Γ Ultraschallwellen können die folgenden Beziehungen aufgestellt werden:

sin v, sin

sin a

■'^M (3) Ci I

sin A₃

f₂ sin A₂ Z₁ sin a
Λ C₂ Λ c,

sin a, 1

Darin sind

Z₁ die Sendefrequenz,
/ di F d W

₁ f₃

die Frequenz der Welle im Medium 2,
die Frequenz der im Medium 1 empfangenen Wl

Welle,

C₁, C₂ die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Ultraschallwellen in den jeweiligen Medien,
Oc₁, λ., und O₃ die oben definierten Winkel und V die Geschwindigkeit des Fahrzeugs.

Tn dem Fall, in dem zwei gegenüber der Senkrechten zur Fläche 4 symmetrische und in gleicher Weise um «, geneigte Ultraschallwellen-Bündel in das Medium 1 übertragen werden, ist die gemessene Fre quenzdifferenz gleich

/-/.•^4r·

Die Messung der Geschwindigkeit V
diese Weise unabhängig von den Änck
Aid

νΛ au

.gen de l

gg g

Ausbreitungsgeschwindigkeit C₂ der Ultraschallwelle!

fcn Medium 2 gemacht. Wird die Schallgcschwindigleit im Medium 1 stabilisiert, so werden die Werte ton λ und von V direkt proportional zueinander, •robei

/, SUVA,

dann eine Konstante darstellt.

■ Wenn das Medium 1 so gewühlt ist, daß sich die tchallgeschwindigkeit in diesem Medium in cindeuligei Weise mit der temperatur ändert, kann die Einstellung und Stabilisierung der Schallgeschwindigkeit durch die Steuerung der Temperatur des Mediums I erfolgen.

Wenn die Trennflächc 4 zwischen den Medien 1 Und 2 nicht parallel zur Richtung der Geschwindigkeit V bleibt, z. B. infolge von Roll- oder Stampfbewegungen, und eine Neigung A gegenüber der Richtung von V annimmt, wobei die Sende- und Empfangsclemente 5 und 6 an die Bewegungen der Fläche 4 gebunden sind, so ist die gemessene Frequenz / mit dem Faktor co·- A behaftet. So liegt beispielsweise bei einem Neigungswinkel A von 10° der relative Meßfehler in der Größenordnung von 1.5¹Vo. Dieser Fehler kann dadurch beträchtlich verringert werden, daß die Sende- und Empfangsclemente 5 und 6 von den Bewegungen der Fläche 4 unabhängig gemacht werden, beispielsweise durch eine Stabilisierung dieser Elemente in bezug auf die Senkrechte zur Horizontalebenc.

Mit dem Bestreben, die Leistungswertc einer solchen Vorrichtung insbesondere im Hinblick auf die Güte des Strahlungsdiagramms der Empfangsantenne bei gleichzeitiger Verringerung des Platzbedarfes zu erhöhen, werden gemäß Fig. 2 die Empfangsantennen 6 in einer akustischen Linse untergebracht, die -ich selbst wiederum in dem Behälter 3 befindet, der Jas Medium I entlritt. Da dieses Medium 1 entsprechend den getroffenen Vorkehrungen temperaturstabilisiert ist, sind auf diese Weise die somit gebildeten Empfangsbündel gleichermaßen stabilisiert. Neben anderen Vorteilen ergibt die akustische Linse eine natürliche Verringerung des Pegels der Sekundärkeulen des Strahlungsdiagramms, ermöglicht die gleichzeitige Bildung mehrerer Bündel bei geringem Übci sprechen und vereinfacht insbesondere die angeschlossenen elektronischen Empfangseinheiten.

Eine der in F i g. 1 dargestellten vergleichbare Vorrichtung kann darüber hinaus auch zur Veränderung der Neigung der Hauptkeule des Strahlungsdiagramms der Sende- und Empfangsantennen 5 und 6 verwendet werden. In diesem Fall braucht nämlich nur die Geschwindigkeit c, der Ultraschallwellen im Medium 1 geändert zu werden, beispielsweise durch eine gesteuerte Veränderung der in diesem Medium 1 herrschenden Temperatur durch eine nicht dargestellte Zusatzausriistung.

F i g. 2 zeigt in diametraler Schnittdarstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Sende- und Empiangsantennenanordnung eines solchen Navigationssystems. Auf die Darstellung der zugehörigen Elektronikeinheiten und der Zusatzausrüstung zur Temperatursteuerung wurde verzichtet, da sie von an sich bekannter Art sind.

Die Schallantennenanordnung weist einen Behälter 3 auf, der mit einer temperarurstabilisierten Flüssigkeit 1 angefüllt ist und die Sende- und Empfangs-Antennenelemente 5, 6 für Schallwellen enthält. Der Behälter 3 ist dicht ausgeführt und ist um eine senkrechte Achse rotationssymmetrisch. Dieser Behälter ist fest am Rumpf 8 des Wasserfahrzeugs befestigt, 7. B. so, daß sein Boden 4 mit dem Außenrand dieses Rumpfes fluchtet, wobei eine Abdichtung zwischen diesem Rumpf 8 und dem Behälter 3 vorgenommen ist.

Sein Durchmesser beträgt in der Regel zwischen 150 und 200 /., wobei mit dem Symbol λ die Wellenlange der ausgesendeten Wellen bezeichnet wird.

Der Boden 4 des Behälters 3 ist durch eine Membran gebildet, die aus einem für Ultraschallwellen durchlässigen Werkstoff besteht, wie z. B. aus einem unter der Bezeichnung »Perbunan« bekannten synthetischen Kautschuk. Diese Membran besitzt vorzugsweise eine möglichst ebene und gleichmäßige Form. Zur Erhöhung ihrer mechanischen Festigkeit ist die Membran mit einer Bewehrung versehen oder aber zwischen zwei Roste eingespannt, wobei die Unterteilung dieser Bewehrung bzw. dieser Roste größer als 10 /. gewählt ist, um die Durchlässigkeit der Membran für Ultraschallwellen nicht zu beeinträchtigen.

Die sich im Behälter befindende Flüssigkeit 1 ist so gewählt, daß darin die Ausbreitungsgeschwindigkeit f, der Ultraschallwellen annähernd der Geschwindigkeit c, dieser Wellen im Medium 2, im vorliegenden Fall im MeerwasM·-, entspricht. So wird beispielsweise Mineralöl verwendet, bei dem die Schallgeschwindigkeit c, = 1450 m/s beträgt.

Eine Temperatursonde, z. B. eine Platindraht-Wiilerstandssonde. sowie ein Heizwiderstand (die Iv Jc in F i g. 2 nicht dargestellt sind) sind im Behälter 3 angeordnet, um die Temperatur des Öles 1 beispielswcise auf 30 ± 1 C konstanthalten.

Die vier Empfangselemente 6 sind auf der Brennkugel einer kugelförmigen akustischen Linse 9 angeordnet, die sich ihrerseits im Behälter j befindet. Diese Linse hat einen Innendurchmesser in der Größonordnung von 40 /. und einen Ajßcndurchmesser von 50 /.. Sie besteht aus zwei Halbkugelii, von denen zumindest die untere Halbkugel 10 aus einem für Ultraschallwellen durchlässigen Werkstoff, z. B. aus l'oiyurthan. besteht, wobei die obere Halbkugel T1 vorzugsweise aus einem absorbierenden Werkstoff, beispielsweise aus einem mit Korkteilchen versetzten Kautschuk, gefertigt ist.

Mit dieser oberen Halbkugel 11 sind die vier Empfangselemente 6. im vorliegenden Fall Unterwasser mikrophone in zwei zueinander senkrechten Ebenen in gleicher Weise gegen die Vertikale geneigt, fest ver bunden. Die Linse 9 ist mit einer Flüssigkeit 12 ge füllt. /. B. mit einem Gemisch aus Fluorkohlenstof fen, mit einer Schallgeschwindigkeit von annähen«

800 m s. Ein Ausdehnungsgefäß 13 ermöglicht eini Ausdehnung dieser Flüssigkeit 12 bei Temperatur änderungen, die beim Transport oder der Lagerun; der Linse auftreten können.

Mit Hilfe dieser akustischen Linse 9 werden somi vier Empfangsbündel mit einem Bündelungswinke von 2 gebildet, die sich in vier in gleicher Weise ur 30" gegen die Vertikale geneigten Richtungen aus breiten und sich in zwei zueinander senkrechte Ebenen befinden.

Was die entsprechenden Sendeelenv. " inlang so liegen diese in einer Horizontalem .. auSerhal der Linse 9 iu Richtungen, die parallel r·-. vlenen df Empfangselemente 6 verlaufen, in einef sol "

fernung von der Membran 4 des Behälters 3, daß sich diese Membran 4 außerhalb ihrer Fresnelregion befindet, beispielsweise in der Größenordnung von 60 λ. Ihr Durchmesser beträgt etwa 7 λ, und sie sind auf einem Kreis mit einem Durchmesser von etwa 100 bis 120 λ angeordnet, so daß ihr Sendebündel, dessen Bündelungswinkel in der Größenordnung von 8° liegt, nicht durch die Linse 9 gestört wird. Diese tendeelemente werden von Armen 14 gehalten, die fest mit der Linse verbunden sind.

Zur näheren Erläuterung des obengenannten Aufbaus kann die Antennenanordnung wie folgt skizziert Werden: Ausgehend von zwei zueinander senkrechten Achsen, die in der gleichen Horizontalebene angenommen werden und durch die Ecken zweier getrennter Quadrate laufen, sind die Sendewandler an den Ecken des äußeren Quadrates und die Empfangswandler an den Ecken des inneren Quadrates angeordnet, wobei die Wandler benachbarter Ecken, die tich auf der gleichen Achse befinden, ein funktionelles Sende/Empfangs-Paar bilden, so daß zwei Paare pro Achse vorhanden sind.

Infolge des verhältnismäßig geringen Gewichtsund Raumbedarfs der von den Sendeelementen 5 und der Linse 9 gebildeten Einheit ist es möglich, diese Einheit innerhalb des Behälters 3 in der Weise zu stabilisieren, daß der Einfluß der Roll- und Stampfbewegungen des Wasserfahrzeugs auf die Meßgenauigkeit verringert wird. Bei dieser Stabilisierung handelt es sich um eine mechanische Pendelvorrichtung, z. B. mit Hilfe einer Aufhängung 15, die durch zwei Kreuzgelenke gebildet ist, von denen das eine in der Rollachse und das andere in der Stampfachse arbeitet, wobei sich der Festpunkt der Aufhängung am Deckel 16 des Behälters 3 befindet. Dieser Deckel ist mit Durchführungen 17 für die elektrischen Verbindungen der Antennen mit der zugehörigen Elektronikeinheit versehen.

Die vorstehend beschriebene Sende/Empfangs-Antennenanordnung für ein Doppler-Sonar ermöglicht somit eine Messung der T iings- und Qucrkomponenten der Geschwindigkeit des damit ausgerüsteten Wasserfahrzeugs unabhängig von Veränderungen des Wertes der Schallgeschwindigkeit im Meerwasser, wobei der Einfluß von Roll- und Stampfbewegungeu auf die Meßgenauigkeit wesentlich verringert ist.

Dieser Einfluß der Roll- und Nickbcwrgungen kann selbstverständlich ganz ausgeschaltet werden, indem der Behälter vom Rumpf des Wasserfahrzeugs getrennt und mit Hilfe einer Steuereinrichtung stabi-

»0 lisiert wird, die in Abhängigkeit von Informationen arbeitet, die durch eine Träghcitszentrale geliefert werden, wodurch jedoch in gleichem Maße der Aufbau des Systems komplizierter und sein Gestehungspreis erhöht wird.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Antennenanordnung liegt darin, daß diese von dem Rumpf des Fahrzeugs, an dem sie montiert ist. nicht hervorsteht. Darüber hinaus kann die Vorrichtung mit einem äußeren, beweglichen Schutzdeckel für die Membran 4 ausgerüstet sein, der im Betrieb abgenommen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mit Doppier-Effekt arbeitendes Navigations -system mit einer an Bord befindlichen Anordnung vcn Sende- und Empfangsantennim für Schallwellen, die mit elektronischen Schaltungen verbunden sind, die die Sendeantennen bei Sendung speisen bzw. die Verarbeitung der vom Grund zurückgeworfenen und von den Empfangsanten nen aufgefangenen Ultraschallwellen übernehmen, wobei die Sendeantennen in einem mit einem flüssigen Medium angefüllten Behälter angeordnet sind, dessen Boden durch eine für Schallwellen durchlässige Membran gebildet ist, die mit dem den Auftrieb des Fahrzeugs erzeugenden Medium in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsanten- Ben (6) ebenfalls im Behälter (3) angeordnet sind.

So daß die Achsen der Sende- und Empfangs-Strahlungen den durchlässigen Boden des Behälters durchdringen, und daß die Schallgeschwindigkeit (ο,) im flüssigen Medium (1) einen in bezug auf die Temperatur des Mediums (1) bekannten Wert aufweist und durch eine im Behälter angeordnete Temperatursteuereinrichtung verändert wird.

2. Navigationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Empfangsantenne (6) in einer akustischen Linse an seordnet ist. die zusammen mit der zugehörigen Sendeantenne (5) in dem Behälter (3) montiert ist.

3. Navigationssystem stach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vv ■ Sendeantennen (5) in einer ersten Horizontalebcnc an den Ecken eines Quadrates angeordnet sind, dessen eine Diagonale mit der Längsachse und dessen andere Diagonale mit der Querachse des Fahrzeugs zusammenfallen, und daß vier Empfangsantennen (6), die jeweils funktionell einem Sender zugeordnet sind, in gleicher Anordnung in einer Horizontalebcnc liegen, die mit der ersten zusammenfallen kann.

4. Navigationssystem nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (3) ein geschlossener Zylinder ist. dessen Durchmesser das 150- bis 200fachc der Wellenlänge /. der ausgesendeten Wellen ausmacht und der am Rump! (8) des Fahrzeugs an seinem durch den Boden (4) abgeschlossenen Teil befestigt ist. der aus einem für die Schallwellen durchlässigen und mechanisch verstärkten Werkstoff hergestellt ist. daß die den Behälter ausfüllende Flüssigkeit (1) so gewählt ist. daß ihre Schallgeschwindigkeit etwa der Schallgeschwindigkeit (c.,) des auftriebserzeugcnden Mediums (2) entspricht, und tcmperaturslabilisiert ist, daß die vier Empfangsantennen (6) auf der Brennkugel einer sphärischen akustischen Linse (9) mit einem Innendurchmesser von 40 /. und einem Außendurchmesser von 50 / angeordnet sind, die aus zwei Halbkugeln (10, 11) gebil det ist, von denen die eine Halbkugel (10) zu dem für Schallwellen durchlässigen Boden gerichtet Ist, daß die Linse mit einer Flüssigkeit einer be stimmten Schallgeschwindigkeit gefüllt ist und ftiit einem Ausdehnungsgefäß (13) in Verbindung Steht, daß die vier Sendeantennen (5) mit einem Durchmesser von etwa 7 / in einer Entfernung von etwa 60 λ vom Boden (4) angeordnet und horizontal auf einem Kreis mit einem Durchmesser zwischen XOO und 120;. verteilt sind, daß ihre Halterung durch fest mit der Linse (9) verbundene Arme (14) gebildet ist und daß die Antennenanordnung an dem Deckel (16) des Behälters (3) aufgehängt ist, der mit Durchführungen für die elektrischen Verbindungen mit der zugehörigen Elektronikeinheit und für die Anschlüsse der die Temperaturstabilisierung des flüssigen Mediums (1) steuernden Temperatursteuervorrichtung versehen ist.

5. Verfahren zur Änderung des Neigungs winkels der durch die Antennenanordnang des Navigationssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgesendeten und empfangenen Strahlungskeule, dadurch gekennzeichnet, daß bei konstant- gehaltener Sendefrequenz (Z₁) der gewünschte Neigungswinkel (λ) dadurch erhalten vird, daß die Schallgeschwindigkeit (C₁) durch Steuerung der Temperatur des flüssigen Mediums (T) verändert wird.

6. Verfahren zur Kompensation der auf die Änderungen der Schallgeschwindigkeit in dem durch Wasser gebildeten Auftriebsmedium zurückzuführenden Fehler bei einem Navigationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des flüssigen Mediums (1) auf einem vorherbestimmten, konstanten Wert gehalten wird und daß die Trennfiäche (4) zwischen dem flüssigen Medium (1) und dem Wasser (2) im wesentlichen parallel zum Geschwindigkeitsvektor (K) des Fahrzeugs verläuft.